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广州乙烯工程安全评价案例
广州乙烯工程安全评价案例
王先华
武汉安全环保研究院
2001年11月
1．1概述1
1.2评价目的和原则1
二、工程简况2
2.1总图布置2
五、综合安全评价17
5.1综合安全评价方法的确定17
5.2综合安全评价模型18
6.1评价结论23
一、总论
1.1.概述
广州乙烯工程，是经国务院1988年批准立项的重大工程建设工程。
厂址选定在广州市东郊黄埔区大田山地带的将军地西侧，西距广州市约28Km。
厂区占地面积约80多公顷。
本工程有5个生产装置：
即15.0万吨/年乙烯装置，10.0万吨/年聚乙烯装置，7.0万吨/年聚丙烯装置，8.0万吨/年苯乙烯装置，以及5.0万吨/年聚苯乙烯装置。
1.2.评价目的和原则
1.2.1评价目的
安全评价是现代化安全管理工作的重要环节，在系统寿命周期内各阶段，都应进行安全评价。
广州乙烯工程目前处于投产前的试车准备阶段，本次评价是工程投产前试车准备阶段的安全评价。
通过安全评价，运用现代化安全系统工程及安全控制论的原理和方法，系统发掘存在于生产工艺、设备、作业环境等环节的潜在危险因素，预见并分析危险经触发可能发生的事故状况及造成的危害，有针对性的制定防范措施和控制危险的对策，为工程投产后，企业组织和实现安全生产提供决策依据，基层组织实施危险预测预控提供信息基础。
在此基础上，提出适应于企业生产要求的现代化安全管理体系和安全管理模式。
1.2.2安全评价原则
1.以系统论、控制论、信息论为指导思想，综合运用现代安全系统工程新技术，并吸收已有评价技术的有益成份，辨识评价工程各子系统存在的危险状况，有针对性提出危险控制措施。
2.运用安全控制论的安全评价模型开展综合安全评价。
3.现代化安全管理模式的提出强调以危险源辨识为基础，以系统危险控制为核心。
4.评价对象主要广州乙烯工程的主要生产装置为主。
1.2.3评价范围
据初步设计文件，确定评价范围包括：
1．乙烯装置，包括裂解、急冷、裂解气压缩、冷分离、热分离、制冷等装置；
2．苯乙烯装置；3．聚乙烯装置；
4．聚丙烯装置；5．聚苯乙烯装置；
6．罐区；7．消防系统；
8．辅助系统；9．公用设施；10．总体布局与周边环境。
1.2.4评价工作内容
1.通过危险辨识，对物料、能源、生产工艺装置、管线、作业环境等的危险充分暴露，尤其是各子系统接口处可能出现的危险；
2.评价重大危险源被激发酿成事故后，生命财产损失严重度；
3.评价自然灾害如洪涝、雷电、风暴对系统的危害以及重大危险源诱发事故的可能性；
4.评价工人操作条件和防止人为失误的安全防护装置是否符合要求；
5.评价由于管理失误可能造成的风险。
上述评价工作内容贯穿于各子系统的危险辨识分析评价的各个环节。
二、工程简况
2.1.总图布置
广州乙烯工程选址于广州市东郊黄埔区，位于城市规划的石油化工工业区。
厂址西距广州市中心约28km，东距深圳市约120km，距黄埔区中心约4km。
厂址区域轻、化工工业较为发达，机械工业和其它工业也有一定基础。
厂址西侧有广州化工厂、广州氮肥厂、广州油脂化工厂、珠江造纸厂、人民制革厂等，南邻广州石油化工总厂，东南有黄埔化工厂等。
地区协作条件好。
厂区南侧紧邻旧围村，西侧为姬堂小学，西南侧有黄埔区物资局炸药库一处，对本工程会有相互影响。
工程在总体布置中尽量把有危险的装置布置在影响较小的位置，以减少对职业安全与卫生的影响。
如化学品库布置在厂区的东北角，远离生产装置，且为独立建筑物，一旦发生事故，也不会对其它设施造成影响。
空分装置为保证吸入空气的纯度，也布置在厂区的东北角，为全年主导风向的上风向。
乙烯罐区、全厂罐区、液化气站等火灾危险性大的场所，布置在厂区的东侧，为主导风向的侧风向，以减少对其它区域的影响。
总图布置见附件一。
2.2气象条件
气温：
年平均气温21.8℃，最热月平均气温28.5℃，极端最高温度38.7℃。
主导风向：
年主导风向：
北；夏季主导风向：
东南；冬季主导风向：
北。
年平均风速1.9m/s，夏季平均风速1.86m/s，冬季平均风速2.07m/s，并有台风出现（风速达35.4m/s）
降水量：
年最大降水量1680.5mm，1小时最大降水厚度1.1.1mm/h，1日最大降水厚度284.9mm/d，一次暴雨持续时间及降雨量（1955年7月5—6日）15时50分，275.5mm。
雷暴：
年平均雷电日数为82.4日/年，年最多雷电日数为111日/年。
2.3地质及施工条件
厂址地区的土壤主要由粘土、亚粘土、亚沙土组成，承压力约为14T/m2—29T/m2。
下层为风化状花岗岩，岩基埋藏深度不一。
从露地面的基岩观察，属中生代燕山期块状花岗岩。
广州市地震烈度为5.5—6级，设计烈度按7度设防。
该厂地处丘陵地带，为平整土地，有些低洼地段需用土填平，此处土质较松。
为防止地基下沉，设计中的防范措施采用伸打桩和强夯地基的处理方法，提高建构筑物的基础强度，防止形变。
2.4主要生产装置工艺流程
2.4.1乙烯装置
2.4.2聚乙烯装置
2.4.3聚丙烯装置
2.4.4苯乙烯装置
2.4.5聚苯乙烯装置
2.5广州乙烯厂安全管理状况
鉴于该厂已于1997年进行了投料试车运行，由于种种原因，未能持续生产。
但在安全管理方面，已建立了较为完善的机构及规章制度，形成安全工作上的厂、车间（部门）、班组三级管理，上至厂长，下至岗位工人形成一个指令和要求迅速下达，基层信息迅速反馈的逐级保证体系。
安技人员素质较高，大部分具有大专以上学历。
厂安全组织管理网络见框图所示。
为保证乙烯工程的安全顺利复产，1999年5月至今，乙烯厂已制定了安全管理规章制度达40余个。
主要规章制度如下：
1）安全生产责任制2）安全教育制度
3）安全活动管理制度4）事故管理制度
5）事故隐患治理管理规定6）安全技术措施管理制度
7）安全检查制度8）动火升级管理制度
9）盲板管理制度10）事故柜管理制度
11）安全标志管理制度12）用火票签发程序规定
13）安全阀管理制度14）安全工作月、季报告书制度
安全组织管理网络
15）合同工、临时工、民工及外来施工人员安全管理规定
16）易燃可燃液体防静电安全管理规定17）可燃气体检测报警器管理规定
18）职业安全卫生技术装备管理规定19）工业卫生管理规定
20）防护器材管理规定21）电梯的使用和安全操作规定
22）便携式气体检测器管理制度23）厂内一般安全规定
24）安全会议制度25）消防设施管理实施细则
26）安全用火管理制度27）安全检修制度
28）大检修安全规定29）进设备作业安全管理规定
30）乙烯厂罐区安全管理规定
2.6工厂生产过程中潜在的危险危害因素
1）火灾爆炸危险
本工程生产过程中使用和产生的原材料、中间产品、产品等均为易燃易爆物质，如氢气、甲烷、乙烯、丙烯、丁二烯1.3、芳烃类等，在高温、高压、深冷等工艺条件以及设备易腐蚀，可能造成泄漏，遇明火（包括静电、雷电等）引起火灾爆炸。
另外，一些催化剂也具有易燃易爆性，如三乙基铝，与水、空气和含有活泼氢的化合物激烈反应，与空气接触自动燃烧，与含氧化物，有机卤化物反应甚为激烈。
2）毒物泄漏或不慎接触造成中毒危险
生产过程中使用和产生的原材料、中间产品、产品等也具有极大毒性。
如苯、甲苯、二甲苯、二甲基甲酰胺、乙烯、丙烯、丁二烯1.3、苯乙烯、糠醛等，这些物质尽管在生产过程中是密封进行，但有可能因设备密封不严和误操作引起泄漏或误接触，引起中毒。
本工程涉及的主要有毒原料与产品毒性危害如下表所示：
主要有毒原料与产品毒性危害
毒物名称
毒理危害
苯、甲苯、二甲苯
急性毒作用：
主要抑制中枢神经系统，麻痹呼吸中枢；
慢性毒作用：
破坏造血组织及神经系统，液态对皮肤、粘膜有刺
激作用，蒸汽对呼吸有刺激作用。
苯乙烯
主要为刺激和麻痹作用，慢性对血液和肝有轻度危害作用
乙烯、丙烯、丁烯
具有轻度的麻醉作用，丙烯对肌体心血管系统的毒性较乙烯稍强，皮肤损害有接触性皮炎。
甲烷、丙烷
甲烷有单纯性窒息作用，当空气中甲烷达25—30%时，人出现窒息前症状。
如头晕、呼吸加速、乏力，丙烷有轻度麻醉、刺激作用。
甲醇
作用于神经系统具有明显的麻醉作用，对视神经有损害。
一氧化碳
使人化学窒息，与红白细胞中的血色素结合生成羟基血红素使人致毒。
二甲基二硫
蒸汽会使人眩晕、窒息，人完全暴露于其中会引起休克。
羟基镍
致癌物，蒸汽会引起咳嗽、呼吸困难，发炎、充血、头疼、眩晕、虚弱。
硫化氢
对神经系统有直接影响，可导致呼吸中心麻醉。
暴露于高浓度会立即死亡
二甲基酰胺
急性中毒对粘膜有明显刺激，并出现中枢神经系统抑制表现瘫痪、惊厥、对肝脏有损害作用，对眼和皮肤有刺激作用。
糠醛
吸入蒸汽会造成中毒。
亚硝酸钠
致癌物
TBC
对二叔丁基邻苯二酚，对皮肤刺激较大，对眼睛也有较大刺激。
3）雷电、静电危险
本工程的大部分设备均为露天布置，一些塔类设备的净空高度高，而该地区年平均雷电日数为82.4日/年，年最多雷电日数为111日/年。
因而装置容易受雷击产生火花，可能引起泄漏的易燃易爆物质的火灾爆炸。
另外，装置在物料的输送过程、人穿化纤服装等产生静电，静电积聚到一定的程度将产生放电造成火花，引起火灾爆炸。
4）机具伤害和高处坠落危险
装置设备中有大量的泵类等传动设备，同时化工生产的特点决定了其生产设备和管线高空架设和重叠布置，作业人员在进行现场巡查和检修作业时，可能因传动装置防护不当，引起机具伤害；或高处作业时不慎造成坠落伤害。
5）粉尘作业危害
本工程的聚乙烯装置、聚丙烯装置、聚苯乙烯装置生产工艺最终产品为固体颗粒，在造粒过程中，尽管是在密闭的管式设备中进行，但仍有可能发生泄漏，造成粉尘危害。
6）噪声作业危害
本工程噪声强度较高的主要部位有空压机、压缩机、冷冻站及泵房，噪声水平在85dB—100dB。
三、系统危险辨识
3.1系统危险辨识方法及危险分级标准
3.1.1危险辨识方法选择
由于危险辨识在安全管理和安全评价中的重要地位，近几年来，国际上已开发出许多用于系统危险辨识的危险分析方法，而每一种方法一般适用于不同危险特征的分析对象。
因此，在具体开展危险辨识时，必须根据分析对象的特点、需重点发掘的问题，有针对性地选择系统危险分析方法。
根据前述本工程潜在危险危害因素状况，系统危险辨识应重点把握以下几方面内容:
*全面分析主要灾害事故被触发的原因；
*系统了解各危险源危险状况信息，如事故模式、缺陷状况、本质安全化水平等；
*分析辅助系统危险状况；
*分析重要危险装置经触发造成事故的波及范围及其影响。
为达到上述目的，采用了表3.1所列分析方法开展系统危险辨识工作。
表3.1危险辨识方法及主要目的
分析方法
分析对象
主要目的
故障模式及严重度影响分析（FMECA）
主体生产系统各危险源
辨识危险模式，发掘固有危险信息，为安全评价提供依据
故障树分析（FTA）
全系统
重点发掘几种主要事故模式影响因素及其组合关系，为危险辨识及控制提供信息
故障模式影响分析（FMEA）
辅助系统
分析供电、供水、供气、消防等子系统可能的故障模式及其对主体生产系统的影响
池火灾后果评价模型
芳烃抽提
分析苯液泄漏造成池火灾的后果影响
Dow火灾爆炸指数法6版
储罐区等
火灾爆炸危险性
水汽化超压爆炸模型
锅炉等
分析积水汽化引起超压爆炸后果
气云爆炸模型
裂解装置
分析氢气泄漏的气云爆炸后果
3.1.2危险严重程度与危险概率分级标准
分级标准如表3.2、表3.3所示。
表3.2危险严重程度分级表
级别
损伤程度
0
造成社会灾难或特大伤亡事故
Ⅰ
重大死亡事故或主要系统毁灭
Ⅱ
个别人死亡、重伤或主要系统损坏
Ⅲ
个别人轻伤或主要系统轻度损坏
Ⅳ
人员微伤或装置部件受损
表3.3危险发生概率分级标准
级别
发生频度特征
概率值
A
可能经常发生（每天可能发生）
10-1
B
很容易发生（每周可能发生）
10-2
C
容易发生（每月可能发生）
10-3
D
很可能发生（每年可能发生）
10-4
E
寿命期内可能发生（每十年可能发生）
10-5
F
寿命期内几乎不发生（每百年可能发生）
10-6
3.2危险辨识主要工作内容
3.2.1主体生产系统危险源划分
危险源划分工作是在系统熟悉乙烯工程有关初步设计资料，并对乙烯工程进行必要的现场调查基础上进行。
危险源划分主要遵循以下原则：
1.从安全系统分析与危险控制角度，以主要设备、设施或岗位为中心，将主要危险设备、工艺状况及操作条件、作业范围等方面存在明显差异的辨识对象划分为不同的危险源。
2.满足日常生产操作管理的要求。
根据上述原则，将整个生产系统划分成34个危险源。
3.2.2危险源辨识
危险源辨识在整个安全评价工作中占有重要地位，是安全评价工作的基础，其工作量占整个评价工作的一半以上。
按照危险源辨识工作程序，对每个危险源所涉及各种作业中的潜在危险因素、触发条件、事故后果、事故类别、控制措施，以及固有危险状况，包括本质安全化状况、设备、设施、工艺缺陷、危险暴露程度等信息进行系统发掘。
危险源辨识的现场调查工作在对乙稀厂的各有关部门和车间进行广泛和深入的调查的基础上，参阅大量石油化工企业的事故案例，运用系统危险分析方法，依照有关规程、标准，对所调查信息进行大量的加工、整理，并制定了专门表格对34个危险源有关信息进行了登记，形成危险源辨识结构文件。
3.2.3故障树分析（FTA）
针对乙烯工程石油化工生产系统的危险特征，分别对装置内化学爆炸、工艺介质外泄燃烧爆炸、加热炉爆炸、锅炉爆炸等4种事故类型，进行了故障树分析。
FTA的故障树生成，最小割集以及危险概率计算运用了FaultreaseVersion1.2软件。
3.2.4辅助系统危险性调查分析
为保证对系统危险性分析的完整性，采用FMEA方法对消防、供配电、防雷电静电等十四个辅助系统存在的危险因素及其对主体生成系统的影响进行了分析。
3.2.5重要危险设施危险严重度估计
鉴于石脑油储罐存在易燃易爆危险特性，运用Dow化学公司火灾爆炸指数法第六版，对油库的火灾爆炸危险进行了估计。
对于芳烃抽提装置，一旦发生泄漏，首先将形成液池，遇火会造成火灾，后果严重。
运用国外风险评价的火灾后果评价模型——池火灾模型及计算机软件（ARCHIEOFEPA，thepoolfirepoolexplosion），对苯塔泄漏的火灾后果严重度进行了估计。
运用密闭容器水被汽化膨胀造成超压爆炸模型，对蒸汽锅炉可能造成的超压爆炸，估计了其爆炸冲击能量。
针对易燃易爆气体泄漏后，形成气云遇明火引起气云爆炸的后果，运用气云爆炸模型及计算机软件（DEGADISOFEPA，VCEOFJETRELEASE），对氢气泄漏的气云爆炸后果，进行了估计。
3.3系统危险辨识结果综合分析
3.3.1主体生产系统危险源辨识登记结果分析
经过对所划分的34个危险源进行系统危险辨识，全厂主体生产共发掘有关事故模式684条，设备、设施缺陷30项，环境缺陷26项，表3.4乙烯厂危险源辨识结果汇总。
表3.4乙烯厂危险源辨识结果汇总表
序号
危险源名称
危险模式数
设备、设施、工艺缺陷数
作业环境缺陷数
危险频度指数
危险严重度
管理级别
1
裂解炉作业区
26
3
3
444.4
Ⅰ
B
2
初馏及稀释蒸汽发生区域
29
2
2
130.7
Ⅱ
D
3
水急冷及锅炉水脱氧作业区
16
3
1
69.55
Ⅱ
D
4
裂解气压缩及碱洗作业区
30
5
1
346.5
0
A
5
乙烯、丙烯制冷作业区
17
2
1
145.5
0
A
6
冷分离区域
50
3
2
326.4
Ⅰ
B
7
热分离区域
26
3
1
159.4
Ⅰ
C
8
石脑油脱砷、废碱处理及排放作业区
27
2
1
66.53
Ⅱ
D
9
A罐区
19
4
0
100.8
0
A
10
汽油加氢作业区
69
2
1
263.3
Ⅰ
B
续表3.4乙烯厂危险源辨识结果汇总表
序号
危险源名称
危险模式数
设备、设施、工艺缺陷数
作业环境缺陷数
危险频度指数
危险严重度
管理级别
11
丁二烯抽提作业区
18
2
2
152.5
0
A
12
芳烃抽提区域
17
2
2
78.41
Ⅰ
C
13
芳烃精馏作业区
22
2
2
122.0
Ⅰ
C
14
乙苯作业区
12
7
2
235.2
Ⅰ
B
15
苯乙烯作业区
14
6
2
226.5
Ⅰ
B
16
中间贮罐区
19
3
1
197.1
Ⅱ
D
17
催化剂区
8
2
1
58.21
Ⅱ
D
18
聚合反应区
22
7
4
281.9
Ⅰ
B
19
水洗造粒作业区
13
3
106.3
Ⅱ
D
20
成品包装作业区
7
170.5
Ⅲ
D
21
催化剂框架
19
2
1
58.21
Ⅱ
D
22
聚合框架
54
3
3
214.2
Ⅰ
B
23
造粒厂房
13
3
106.3
Ⅱ
D
24
导热油区及罐区
19
2
2
29.22
Ⅰ
C
25
制胶作业区
10
1
1
53.25
Ⅱ
D
26
聚合生产区
19
5
1
253.6
Ⅱ
C
27
造粒厂房
7
3
4
157.9
Ⅲ
D
28
原料贮罐区
14
4
2
570.2
0
A
29
成品贮罐区
14
4
1
375.0
Ⅰ
B
30
C4球罐区
14
3
1
359.4
0
A
31
汽车装卸作业区
9
2
1
848.2
Ⅰ
B
32
酸碱站
11
1
1
92.61
Ⅲ
D
33
空分空压厂
5
1
1
304.3
Ⅱ
C
34
辅助锅炉
15
5
4
275.6
Ⅰ
B
合计
684
30
26
1．事故模式分析
经统计，事故模式较多的10个危险源分布如表3.5所示。
表3.5事故模式分布状况
危险源名称
裂解炉作业区
初馏及稀释蒸汽发生区域
裂解气压缩及碱洗作业区
冷分离区域
热分离区域
石脑油脱砷、废碱处理及排放作业区
汽油加氢作业区
芳烃精馏作业区
聚合反应区
聚合框架
事故模式数
26
29
30
50
26
27
69
22
22
54
从表3.5可以看出，上述10个危险源的事故模式较多，合计占全部总数的51.9%，工程投产后，应重点增强上述危险源所在岗位作业人员的安全意识、安全技能、安全知识教育，通过危险预知活动等手段，提高职工安全素质。
2．从发生故障的可能性看，发生事故概率较大的几个危险源依次为：
汽车装卸作业区、原料贮罐区、裂解炉、成品贮罐区、C4球罐区、裂解气压缩、冷分离作业区、空分空压、辅助锅炉、汽油加氢作业区、聚合生产区；
3．从发生事故的后果看，可能发生O级事故的危险源有6个，占总数的17.6%，Ⅰ级事故的危险源有14个，占总数的41.2%；
4．从危险源管理级别看，A级危险源6个，分别为裂解气压缩及碱洗作业区、乙烯、丙烯制冷作业区、A罐区、丁二烯抽提作业区、原料贮罐区、C4球罐区；B级危险源10个；C级危险源6个；D级12个。
3.3.2后果严重度估计分析
1．针对石脑油贮罐、聚丙烯反应器的火灾爆炸危险特征，运用火灾爆炸指数法计算石脑油贮罐、聚丙烯反应器的火灾爆炸危险指数分别128、141.12，其火灾爆炸破坏影响如下：
*石脑油贮罐火灾爆炸破坏半径为32.77m，破坏半径范围内65%的设备、设施可能遭受火灾破坏；但由于安全措施较完善，修正后的火灾爆炸危险指数降为70.9，属于较轻危险等级。
*聚丙烯反应器火灾爆炸破坏半径为34.4m破坏半径范围内80%的设备、设施可能遭受火灾破坏；但由于安全措施较完善，修正后的火灾爆炸危险指数降为80.7，属于较轻危险等级。
2．针对苯塔及其辅助设施可能发生泄漏引起火灾的危险，运用池火灾模型对其后果进行了评估。
结果如下：
表3.6苯塔管道泄漏引起火灾影响状况
泄漏时间（分钟）
油池直径（m）
火焰高度（m）
5
2.2
4.73
10
3.12
6.02
15
3.82
6.93
20
4.41
7.66
25
4.93
8.28
30
5.4
8.82
从表3.6可以看出，泄漏时间愈长，造成火灾后火焰高度愈高，若泄漏时间达到30分钟，火焰高度将达8.82m，受风力影响，将严重威胁友邻设施的安全。
3．鉴于水在常压下温度升高到100℃时，水吸收汽化潜热变为水蒸汽，当水完全蒸发后，分子间的距离增大10~11.447倍，具体积增大约1500倍。
若此膨胀过程在极短时间内发生，就会发生爆炸。
最大可能释放能量可近似按工程热力学绝热过程计算。
蒸汽锅炉存在上述超压爆炸危险。
计算结果如下：
表3.7锅炉蒸汽超压爆炸影响范围估计
一吨TNT爆炸离爆心距离（m）
1535.48公斤TNT爆炸离爆心距离（m）
爆炸后果
201
231
90%玻璃振碎,受伤概率很小
166
191
受压窗户玻璃损坏
109
125
窗框破损，受伤概率10%
75
86
房屋出现裂缝
56
64
房屋结构破坏，房屋内人员受致命伤害的概率为20%
44
51
房屋被炸坏，室内人员受致命伤害的概率为50%，室外人员受致命伤害的概率为15%
28
32
房屋倒塌，室内外人员受致命伤害的概率为100%
4．在化工生产、储运过程中，原材料、燃料、半成品、成品等常常处于受压状态，生产、储存设备也多为压力容器，由于工艺操作失误、设备缺陷等诸多因素，常常引起压力容器、连接管线、附属部件的破裂，导致化学物质的泄漏。
泄漏出的物质如果蒸发与空气混合，则会形成大块易燃易爆气团或蒸汽云，遇到激发能源时，将产生火灾爆炸。
对甲烷化反应器氢气泄漏发生火灾后的影响范围估计如下：
表3.8甲烷化反应器氢气泄漏爆炸影响分析
一吨TNT爆炸离爆心距离（m）
99.6公斤TNT爆炸离爆心距离（m）
爆炸后果
201
93
90%玻璃振碎,受伤概率很小
166
77
受压窗户玻璃损坏
109
51
窗框破损，受伤概率10%
75
35
房屋出现裂缝
56
26
房屋结构破坏，房屋内人员受致命伤害的概率为20%
44
20
房屋被炸坏，室内人员受致命伤害的概率为50%，室外人员受致命伤害的概率为15%
28
13
房屋倒塌，室内外人员受致命伤害的概率为100
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